[论文解读] pMSSM Benchmark Models for Snowmass 2013

M. Cahill-Rowley, JoAnne L. Hewett+3 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2013

Social Acceptance of Renewable Energy参考文献 4被引用 11

一句话总结

本文为 Snowmass 2013 社群提出了一套 19 个现象学 MSSM（pMSSM）基准模型，这些模型被选中以预测观测到的希格斯玻色子质量（125 GeV），并正确计算暗物质遗迹密度，同时避开当前 LHC 的约束。这些模型涵盖了多种暗物质产生机制，如 bino-stop coannihilation、纯 Higgsino 和 A-portal annihilation，并包括中性子和 gravitino LSP 情况，同时在参数空间中为一维对撞机和天体物理扫描提供了相应的“辐条”（spokes）。

ABSTRACT

We present several benchmark points in the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model (pMSSM). We select these models as experimentally well-motivated examples of the MSSM which predict the observed Higgs mass and dark matter relic density while evading the current LHC searches. We also use benchmarks to generate spokes in parameter space by scaling the mass parameters in a manner which keeps the Higgs mass and relic density approximately constant.

研究动机与目标

• 识别能够重现观测到的希格斯玻色子质量（125 GeV）和 WMAP 暗物质遗迹密度的可行 pMSSM 模型。
• 选择与所有当前实验约束一致的模型，包括 LHC 搜索、精密电弱数据、味物理可观测量以及宇宙学限制。
• 构建“辐条”——即在 pMSSM 参数空间中的一维线段——使得希格斯玻色子质量与遗迹密度在扫描过程中近似保持恒定。
• 为未来的对撞机与暗物质探测研究提供一个全面且公开可访问的基准模型集合，包括第一/第二代标量费米子简并的“优化版”模型。
• 探索 gravitino LSP 的“超 WIMP”情景，其中在对撞机中比在直接探测实验中更容易被发现。

提出的方法

• 通过在定义范围内对 19 个（或包含 gravitino 质量时为 20 个）参数进行随机扫描，生成大规模的 pMSSM 模型集合，使用线性和对数先验分布。
• 利用 SOFTSUSY 3.1.7 进行理论一致性检查，并通过 SuSpect 2.41 进行交叉验证，以确保谱系的可靠性。
• 使用 SUSY-HIT 1.3 计算衰变表，整合了 $(g-2)_\mu$、$b\to s\gamma$、$B_{s}\to\mu\mu$、$Z\to$ 不可见衰变、$\Delta\rho$ 以及 LEP/LHC 限制。
• 使用 PYTHIA 6.4.26 和 PGS 4 模拟对撞机信号，对电弱过程采用 NLO K 因子（1.25），对色荷超对称粒子使用 Prospino 2.1，验证结果与 2012 年 21 项 ATLAS 超对称搜索一致。
• 通过缩放质量参数来定义“辐条”，同时保持希格斯玻色子质量和遗迹密度不变，从而实现对关键物理方向的一维扫描。
• 在 http://www.slac.stanford.edu/~aismail/snowmass/index.html 发布模型与辐条，包括在 Snowmass 2013 之后推出的、第一/第二代标量费米子简并的“优化版”模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些 pMSSM 模型能同时预测观测到的希格斯玻色子质量（125 GeV）和正确的暗物质遗迹密度，同时避开当前 LHC 的约束？
• RQ2 如何在 pMSSM 参数空间中构建一维线段（即“辐条”），使得希格斯玻色子质量和 LSP 遗迹密度保持近似恒定？
• RQ3 在可行的 pMSSM 模型中，暗物质湮灭的主要机制是什么？这些机制如何影响对撞机与天体物理信号？
• RQ4 中性子 LSP 与 gravitino LSP 模型的物理信号有何不同，特别是在对撞机探测与直接探测实验中的可探测性方面？
• RQ5 在 pMSSM 中，非热 gravitino 产生与 sneutrino NLSP 的引入在多大程度上影响了超 WIMP 情景的可行性？

主要发现

• 66%（53%）的中性子（gravitino）LSP pMSSM 模型通过了所有 LHC 和精密测量约束，表明存在广阔的可行参数空间。
• 基准模型 401479（约 800 GeV 的 bino-stop coannihilation）通过 $\tilde{B}$–$\tilde{t}$ coannihilation 实现正确的遗迹密度，其截面为 $\langle \sigma v \rangle = 4.3 \times 10^{-30}$ cm³/s，主要末态为 $\tau^+\tau^-$。
• 模型 1046838（1 TeV 的纯 Higgsino）的遗迹密度为 $1.0 \times 10^{-26}$ cm³/s，主要湮灭为 $W^+W^-$ 和 $ZZ$ 末态。
• 模型 2387564（1 TeV 的 A-portal annihilation）具有 $3.8 \times 10^{-27}$ cm³/s 的湮灭截面，72% 分支比进入 $b\bar{b}$，且标量夸克质量为 1.4 TeV。
• 模型 2750334（150 GeV 的良好调制 bino-higgsino LSP）的截面为 $1.9 \times 10^{-26}$ cm³/s，最轻的轻子质量为 750 GeV，标量夸克质量高于 1.3 TeV。
• 一个 gravitino LSP 基准模型（模型 374345）具有 580 GeV 的 sneutrino NLSP 和 400 GeV 的 gravitino，通过非热产生机制保持可行，其希格斯玻色子质量为 123.5 GeV。